燃料电池技术论文合集12篇
燃料电池技术论文篇1
PEMFC的基本工作过程如下：
（1）氢气通过双极板上的导气通道到达电池的阳极，氢分子在催化剂的作用下解离形成氢离子和电子；
（2）氢离子以水合质子H+（xH2O）的形式通过电解质膜到达阴极，电子在阳极侧积累；
（3）氧气通过双极板到达阴极后，氧分子在催化剂的作用下变成氧离子，阴、阳极间形成一个电势差；
（4）阳极和阴极通过外电路连接起来，在阳极积聚的电子就会通过外电路到达阴极，形成电流，对负载做功。同时，在阴极侧反应生成水；
（5）只要持续不断地提供反应气体，PEMFC就可以连续工作，对外提供电能。
2质子交换膜燃料电池的特点
（1）高效率。PEMFC以电化学方式进行能量转换，不存在燃烧过程，不受卡诺循环限制，其理论热效率可达85-90%，目前的实际效率大约是内燃机的两倍。传统动力源为了提高效率必须将负荷限制在很小范围内，而PEMFC几乎在全部负荷范围内均有很高效率。
（2）模块化。PEMFC在结构上具有模块化的特点，可根据不同动力需求组合安装，采用“搭积木”式的设计方法简化了不同规模电堆的设计制造过程。
（3）高可靠性。由于PEMFC电堆采用模块化的设计方法，结构简单，易于维护。一旦某个单电池发生故障，可自动采取适当屏蔽措施，只会使系统输出功率略有下降，而不会导致整个动力系统的瘫痪。
（4）燃料多样性。PEMFC动力系统既可以纯氢为燃料，也可以重整气为燃料。氢气的来源可以是电解水的产物，也可以是对汽油、柴油、二甲醚等化石类燃料重整的产物。氢气的存储方式可以是高压气罐、液氢、金属氢化物等。
（5）环境友好。当采用纯氢为燃料时，PEMFC的唯一产物是水，可以做到零排放。以重整气为燃料时，相对于内燃机而言，排放也极大降低。此外，PEMFC噪声水平也很低，各结构部件均可回收利用。
3研究现状
3.1关键部件
电解质膜、双极板、催化剂及气体扩散电极是质子交换膜燃料电池的四大关键部件。
电解质膜是PEMFC的核心部件，它直接影响燃料电池的性能与寿命。1962年美国杜邦公司研制成功全氟磺酸型质子交换膜，1966年开始用于燃料电池，其商业型号为Nafion，至今仍广泛使用。但由于Nafion膜成本较高，各国科学家正在研究部分氟化或非氟质子交换膜。
双极板在PEMFC中起着支撑、集流、分割氧化剂与还原剂并引导气体在电池内电极表面流动的作用，目前广泛采用的是以石墨为材料，在其上加工出引导气体流动的流场，基本流场形式有蛇形、平行、交指及网格状等。
铂基催化剂是目前性能最好的电极催化剂，为提高利用率，铂以纳米级颗粒形式高分散地担载到导电、抗腐蚀的担体上，目前广泛采用的担体为乙炔炭黑，比表面积约为250m2/g，平均粒径为30nm。
PEMFC的气体扩散电极由两层构成，一层为起支撑作用的扩散层，另一层为电化学反应进行的场所催化层。扩散层一般选用炭材如石墨化炭纸或炭布制备，应具备高孔隙率和适宜的孔分布，不产生腐蚀或降解。根据制备工艺和厚度不同，催化层分为厚层憎水、薄层亲水及超薄三种类型。
3.2测控系统
PEMFC的工作性能受多种因素（温度、压力等）的影响，为确保PEMFC正常运行，提高其可靠性和有效性，就必须监测各个影响因素。即运用有效的措施来连续监测PEMFC运行的关键或重要状态，并对收集到的信息进行必要的分析和处理，以便做到故障预测和及时诊断，为PEMFC管理系统提供依据。目前，进行PEMFC测试系统相关方面研究的公司和机构众多，但仍没有制定出有关PEMFC测试的国际标准和相应的标准测试设备，不过已有实用的测试系统投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料电池测试站（FCATS）、美国Arbin公司的集成燃料电池测试系统（FCTS）是其中的突出代表。
4质子交换膜燃料电池的应用
质子交换膜燃料电池是目前各种燃料电池中实用程度较高的一类。其优越性不仅限于能量转换效率高、工作温度低，还体现在其可在较大的电流密度下工作，适宜于较频繁启动的场合。因此世界各大汽车生产厂商一致看好其在汽车工业中的应用前景，PEMFC已成为现今燃料电池汽车动力的主要发展方向。目前，通用、丰田等世界上知名的汽车公司，都在积极开发以PEMFC系统为动力源的PEMFC电动车，曾先后推出各种类型的样车，并进行PEMFC电动车队的示范运行。PEMFC电动车以其优异的性能和环境污染很少等突出特点引起了人们的普遍关注，甚至被认为将是21世纪内燃机汽车最为有力的竞争者。
此外，在航空航天特别是无人飞行器领域，以及家庭电源、分散电站、移动电子设备电源、水下机器人及潜艇不依赖空气推进电源等方面也有广泛应用前景。
5质子交换膜燃料电池的发展趋势
在关键部件方面，围绕电解质膜、催化剂及双极板的研究方兴未艾。全氟型磺酸膜价格昂贵，开发非全氟的廉价质子交换膜是今后的研究方向。近年来，新型质子交换膜的的研究热点是开发能够在100℃以上使用的高温电解质膜。在催化剂方面，研制高性能抗CO中毒电极催化剂是最紧迫的任务，此外，还要寻找非贵金属氮化物或碳化物作为现有铂催化剂的替代。目前广泛使用的石墨板具有较好的耐腐蚀能力和较高的热导率，但成本较高，加工难度大，强度、电导率和可回收性均不如金属板。金属板目前急需解决的问题是表面处理，以提高其耐腐蚀能力。复合材料双极板则结合了纯石墨板和金属板的优点，具有耐腐蚀、体积小、质量轻、强度大及工艺性良好等特点，是未来发展的趋势。
在电堆方面，今后的研究重点将是使电堆中的电池单元的性能接近于单电池的性能，这就需要对电堆的结构进行优化，保证电堆中每一片电池单元的整个活性面积处于一致的操作环境，并优化水、热管理，改善电流密度分布的均匀性。
参考文献
［1］李兴虎.电动汽车概论［M］.北京:北京理工大学出版社，2005:9-22.
燃料电池技术论文篇2
作者: 辽宁电力科学研究院孔宪文 桂敏言(辽宁省电力有限公司 冯玉全) 【论文摘要】本文概述了燃料电池的工作特点和原理，介绍了发电系统的组成、国内外的研究现状，对我国应用燃料电池发电的资源条件进行了评估，展望了这一技术在电力系统的应用前景、将对电力系统产生的重要影响，它将使传统的电力系统产生重大的变革，它会使电力系统更加安全、经济。最后提出了发展燃料电池发电的具体建议。1．引言 能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。 随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。 1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。 大型电站，火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要，电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以
燃料电池技术论文篇3
日本自实施月光计划以来，作为部级项目，正在实施5000千瓦级加压型和1000千瓦级常压型电厂实证运行。目前，磷酸型燃料电池的发电效率为30％～40％，如果将热利用考虑进去，综合效率可高达60％～80％。
除日本外，目前世界约有60台PAFC发电设备在运转，总输出功率约为4.1万千瓦。按国别和地区划分日本为2.9万千瓦，美国8000千瓦，欧洲3000千瓦，亚洲900千瓦。运转中的发电设备除3台(日本2台，意大利1台)为加压型外，其他均为常压型。磷酸型燃料电池的制造厂家目前主要为日本和美国，设备主要销往欧、亚。
美国已完成基础研究，200千瓦级电厂用电池近期有望商品化，但大容量电厂用电池处于停滞状态。德国已引进美国200千瓦级电厂用电池进行试验运行。另外，瑞典、意大利、瑞士等国也引进日、美的电池进行试运行。
2.熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)
日本对MCFC发电系统的技术开发始于1981年度的月光计划，该计划围绕开发1千瓦级发电机组这个目标展开了对MCFC燃料、电极等的开发。该开发研究进展顺利，从1984年开始，进而对10千瓦级发电机组进行研究开发。1986年，日立、东芝、富士电机、三菱电机、IHI分别对5台10千瓦级机组进行发电试验，其结果是输出功率为10千瓦，初期性能为电池电压0.75伏，电流密度150毫安/平方厘米。
1987年起，日本在对1000千瓦级实验电场(外部改质型)进行主要开发的同时，对100千瓦级发电机组以及1000千瓦级机组的设备的开发研究也取得了进展。1993年度，日立、IHI的2台100千瓦级外部改质型机组和三菱电机的1台30千瓦级内部改质型机组开始试验发电运行。其试验结果以及1994年度进行的5-25千瓦级机组的试验结果表明，电池电压0.8伏，电流密度达15毫安/平方厘米，单位时间内的劣化率小于1％。
在此基础上，1994年度起开始着手开发1000千瓦级试验工厂。1995年10月在中部电力(株)川越发电所开始建厂，确立了1000千瓦级实用化发电系统试验工厂的基本系统，对现有的事业用燃料电池电厂的运行进行评价，计划1999年开始试验运行，其目标为：燃料利用率为80％，千小时电池的劣化率小于1％，初期性能为：电池电压大于0.8伏，电流密度1500毫安/平方厘米，计划试验运行5000小时。
为使电池实用化，在上述研究开发的基础上，还进行了机组长寿命化研究，计划连续实验运行4万小时，每千小时单位劣化率小于0.25％。除此之外，还在开发200千瓦级内部改质型燃料电池发电系统。
美国能源部和美国电力研究所，正在积极开发MCFC。美国ERC公司开发的2兆瓦级内部改质型机组发电系统于1996年5月在圣克拉拉开始试验运行。MC－power公司开发的250千瓦级外部改质型机组发电系统，1997年2月起在圣迭戈开始试运行。
在欧洲，MCFC作为共同项目正在研究开发，取得了一些进展，其主要项目如下：
①高级DIC－MCFC发展计划(1996-1998年)。荷兰、英、法、瑞典等国参加研究，欧洲在市场分析、系统开发以及内部改质型机组的开发等方面取得进展。
②ARGE项目(1990年起计划10年内完成)。德、丹麦参加，并在内部改质型发电系统的开发上取得进展。
③MOLCARE。由意、西班牙参加，并在外部改质型发电系统开发上取得进展。
韩国从1993年起开始开发MCFC，1997年以开发100千瓦外部改质型发电系统为目标，开始了第二阶段研究开发工作。
3.固体电解质型燃料电池(SOFC)
作为SOFC开发的基础科学离子学，其开发历史很长，日、美、德等国已有30多年的开发史。日本工业技术院电子技术综合研究所从1974年起就开始研究SOFC，1984年进行了500瓦发电试验(最大输出功率为1.2千瓦)。美国西屋公司从1960年起开始开发SOFC，1987年该公司与日本东京煤气、大阪煤气共同开发出3千瓦热自立型电池模块，在国内外掀起了开发SOFC的高潮。
日本新阳光计划中，以产业技术综合开发机构(NEDO)，为首，从1989年起开始开发基础制造技术，对数百千瓦级发电机组进行测试。1992年起，富士电机综合研究所和三洋电机在共同研究开发数千瓦级平板型模块基础上，还组织了7个研究机构积极开发高性能、长寿命的SOFC材料及其基础技术。
除此之外，三菱重工神户造船所与中部电力合作，共同开发平板型SOFC，1996年创造了5千瓦级模块成功运行的先例。同时，在圆筒横缟型电池领域中，1995年三菱重工长崎造船所在电源开发共同研究中，采用圆筒横缟型电池，开发出10千瓦级模块，成功地进行了500小时试运行，之后又于1996年开发了2.5千瓦模块，并试运行1000小时。TOTO与九州电力共同开发全湿式圆筒纵缟型电池，1996年起，开始开发1千瓦级模块。同时，在日本以大学与国立研究所为首的许多研究机构在积极开发SOFC。
美国西屋公司在能源部的支持下，开始开发圆筒纵缟型电池。东京煤气和大阪煤气对25千瓦级发电及余热供暖系统进行的共同测试表明，截至1997年3月，已成功运行了约1.3万小时，其间已经过11次启动与停机，千小时单位电池的劣化率小于0.1％，可见其技术已非常成熟。西屋公司除计划在1998年与荷兰、丹麦共同进行100千瓦级模块运行外，为降低制造成本，还在研究开发湿式电池制造技术。美国Allied－signal、SOFCo、Z－tek等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正对1千瓦级模块进行试运行。
在欧洲，德国西门子公司在开发采用合金系列分离器的平板型SOFC，1995年开发出10千瓦(利用氧化剂中的氧，若在空气中则为5千瓦)模块，1996年开发出7.2千瓦模块(利用氧化剂中的空气)。
奔驰汽车制造公司在开发陶瓷系列分离器式平板型SOFC上取得进展，1996年对2.2千瓦模块试运行6000小时。瑞士的萨尔泽尔公司在积极开发家庭用SOFC，目前已开发出1千瓦级模块。今后，德国还计划在特蒙德市进行7千瓦级发电及余热供暖系统现场测试。
在此基础研究上，以英、法、荷等国的大学和国立研究所为中心的研究机构，正在积极研究开发低温型(小于800℃)SOFC材料。
4.固体高分子型燃料电池(PEFC)
日本开发固体高分子膜的单位有旭化成、旭哨子、Japangore－tex等，开发改质器以及电极催化媒体的机构有田中贵金属、大阪煤气等。在开发汽车燃料电池方面，丰田制造出甲醇改质型燃料电池汽车(1997年)，同时三菱电机、马自达也在着手开发汽车燃料电池。
在供电及余热供暖系统方面，PEFC排热温度较低，为70℃左右，在热利用上有所限制，与其他类型燃料电池相比，目前只开发小型系统。东芝(30千瓦)、三洋电机(数千瓦)、三菱重工和东京煤气(5千瓦)、富士电机和关西电力(5千瓦)等公司在开发以天然气和甲醇为燃料的电池系统，同时，三洋电机在开发1千瓦级氢燃料便携式商品化电源，三菱重工在开发特殊用途(无人潜水艇用)燃料电池。
PEFC主要作为汽车动力电源在开发。但在汽车上燃料的搭载方式各种各样，有高压氢、液化氢和甲醇等。这些燃料各具长短，目前还未能确定最适方式。
德国奔驰与加拿大BPS在进行共同开发，它们开发的搭载氢燃料、小底盘汽车在试运行。除此之外它们还共同开发甲醇燃料电池汽车。若在降低成本、提高运行性能等方面再取得一些进展，电池汽车就有望走向市场。
燃料电池技术论文篇4
氢和氧气是燃料电池常用的燃料气和氧化剂。此外，CO等一些气体也可作为MCFC与SOFC的燃料。从长远发展看，高温型MCFC和SOFC系统是利用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径。我国丰富的煤炭资源是燃料电池所需燃料的巨大来源。
燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的诱人特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电池将成为继火电、水电、核电后的第四电方式[1]，它将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。
1，中国燃料电池技术的进展
“燃料电池技术”是我国“九五”期间的重大发展项目，目标是，利用我国的资源优势，从高起点做起，加强创新；在“九五”期间，使我国燃料电池的技术发展接近国际水平。内容包括“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融碳酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技术”三大项目[2]，其中，用于电动汽车的“5kW质子交换膜燃料电池”列为开发的重点。此项任务由中国科学院及部门所属若干研究所承担。所定目标业已全部实现。
在质子交换膜燃料电池（PEMFC）方面，我国研究开发的这类电池已经达到可以装车的技术水平，可以与世界发达国家竞争，而且在市场份额上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我国自把质子交换膜燃料电池列为"九五"科技攻关计划的重点项目以后，以大连化学物理研究所为牵头单位，在全国范围内全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，取得了很大进展，相继组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW、10kW至30kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分,其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。质子交换膜燃料电池自行车已研制成功，现已开发出200瓦电动自行车用燃料电池系统。百瓦级移动动力源和5kW移动通讯机站动力源也已开发成功。千瓦级电池系统作为动力源，已成功地进行了应用试验。由6台5kW电池组构成的30kW电池系统已成功地用作中国首台燃料电池轻型客车动力源。装车电池最大输出功率达46千瓦。目前该车最高时速达60.6km/h，为燃料电池电动汽车以及混合动力电动汽车的发展打下良好的基础。该电池堆整体性能相当于奔驰、福特与加拿大巴拉德公司联合开发的MK7质子交换膜燃料电池电动车的水平[3]。我国目前正在进行大功率质子交换膜燃料电池组的开发和燃料电池发动机系统集成的研究。
在熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）方面，我国已经研制出α和γ型偏铝酸锂粗、细粉料，制备出大面积（大于0.2m2）的电池隔膜，预测隔膜寿命超过3万小时。在进行材料部件研究的基础上，成功组装和运行了千瓦级电池组。
在固体氧化物燃料电池（SOFC）技术方面，已经制备出厚度为5-10μm的负载型致密YSZ电解质薄膜，研制出一种能用作中温SOFC连接体的Ni基不锈钢材料。负载型YSZ薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.4W/cm2,负载型LSGM薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.8W/cm2。这些技术创新为研制千瓦级、十千瓦级中温固体氧化物燃料电池发电技术的研发奠定了坚实基础。
2，国外燃料电池技术发展迅猛
燃料电池是新世纪最有前途的清洁能源，是替代传统能源的最佳选择。因此，燃料电池技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视。美国将燃料电池技术列为涉及国家安全的技术之一，《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术之首；日本政府认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心；加拿大计划将燃料电池发展成国家的支柱产业。近十年来，国外政府和企业在燃料电池方面的投资额超过100亿美元。为开发燃料电池，戴姆勒－克莱斯勒公司一家近年来每年就投入10亿美元，丰田公司的年投资额超过50亿日元[4]。
欧、美发达国家和日本等国政府和企业界都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并且已取得了许多重要成果，PEMFC技术已发展到实用阶段，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，用于国防、航天、汽车、医院、工厂、居民区等方面；各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成，其中，国际燃料电池产业巨头加拿大巴拉德公司筹资3.2亿美元，建成的燃料电池厂已于2001年2月正式投产。美国和欧洲将成批生产低成本的家用供电－供暖燃料电池作为最近的开发计划。目前，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正快速进入工业化规模应用的阶段。
目前，车用氢燃料电池已成为世界各大汽车公司技术开发的重中之重。迄今为止，世界6大汽车公司在开发氢燃料电池车上的开发费用已超过100亿美元，并以每年10亿美元的速度递增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的车用燃料电池就达41种。
3，我国开发燃料电池技术相对乏力
我国研究燃料电池有过起落。在20世纪60年代曾开展过多种燃料电池的实验室研究，70年入大量人力物力开展用于空间技术的燃料电池研究，其后研究工作长期停顿。最近几年，我国才开始重新重视燃料电池技术的研究开发，并取得很大进展。特别在PEMFC方面，达到或接近了世界水平。但是，在总体上，我国燃料电池的研究开发刚刚起步，仍处于科研阶段，与国外相比，我国的燃料电池研究水平还较低，我国对燃料电池的组织开发力度还远远不够。作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，开发以煤作为一次能源的高温型MCFC和SOFC具有特别重要的意义。但是我国在MCFC、SOFC研究方面与国外的差距很大，要实现实用化、商业化应用还有很长的路要走。迄今为止，我国还没有燃料电池发电站的应用实例。这和我国这样一个大国的地位很不相称。尽管国家也将燃料电池技术列为"九五"攻关项目，国家和企业投入的资金却极为有限，年度经费仅为千万元量级人民币，与发达国家数亿美元的投入相比显得微不足道；承担研究任务的也只是中科院等少数科研院所，且研究力量分散，缺少企业的介入，难以取得突破性进展，尤其是难以将取得的研究成果进行实际应用试验，以形成产业化趋势。从表1所列国外燃料电池的研究和开况看，欧、美国家和日本等大多是以公司企业为主在从事燃料电池的研究开发和制造生产，而且规模很大，例如，仅加拿大的Ballard一家公司的资产就达10亿美元。
4，大力发展燃料电池技术势在必行
从世界燃料电池迅猛发展的势头看，本世纪头十年将是燃料电池发电技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本等都将取得重大突破。预计燃料电池系统将在洁净煤燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面有着广泛的应用前景，潜在市场十分巨大。可以预料，分散电源供电系统——燃料电池发电厂必将在21世纪内取代以“大机组、大电网、高电压”为主要特征的现代电力系统，成为电力行业的主力军。而燃料电池的普遍推广应用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命，促进新兴产业的形成，带动国民经济高速发展。能源领域的这场革命是我国政府、企业、科研院所、高等院校不得不正视的课题，我们对此必须有充分认识并给予足够的重视。我们应该准确把握这场革命所带给我们的机遇，毫不迟疑地投入足够的人力、物力、财力，推动燃料电池发电技术的研究开发和应用工作，使之早日实用化产业化，为我国的国家能源安全和国民经济可持续发展服务。
燃料电池技术论文篇5
“电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证相同的能源服务水平的前提下, 使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前景进行简单评述。
1. 分布式电源
当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(ic)、微型燃气轮机（microtur_bines）和各种工程用的燃料电池（fuel cell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。
1.1 微型燃气轮机
微型燃气轮机（micro turbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96 000 r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500 ℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。
1.2 燃料电池
燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。
1.2.1 燃料电池的工作原理
燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。
通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（pafc）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11 mw的设备及便携式250 kw等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（mcfc），工作在高温（600～700 ℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（sofc）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。
1.2.2 性能和特点
燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1 s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统
目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。
1.2.3 技术关键和研究课题
燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（mcfc）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使mcfc的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池（sofc）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入y2o3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.03～0.05 mm。比较先进的已达到0.01 mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700 ℃以下，sofc的造价就可以大幅度降低。
2. 大功率电力电子技术的应用硅片引起的“第二次革命
2.1 大功率电力电子器件的重大进展
电力电子学（power electronics）的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（high power electronics）的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。
近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（facts）、定质电力技术（custom power）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为电力研究前沿。
2.2 灵活交流输电技术(facts)
灵活交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。
燃料电池技术论文篇6
“电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证相同的能源服务水平的前提下,使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前景进行简单评述。
1.分布式电源
当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC)、微型燃气轮机（Microtur_bines）和各种工程用的燃料电池（FuelCell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。
1.1微型燃气轮机
微型燃气轮机（MicroTurbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96000r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。
1.2燃料电池
燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。
1.2.1燃料电池的工作原理
燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。
通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（PAFC）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11MW的设备及便携式250kW等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600～700℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（SOFC）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。
1.2.2性能和特点
燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统
目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。
1.2.3技术关键和研究课题
燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（MCFC）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池（SOFC）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入Y2O3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.03～0.05mm。比较先进的已达到0.01mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700℃以下，SOFC的造价就可以大幅度降低。2.大功率电力电子技术的应用硅片引起的“第二次革命
2.1大功率电力电子器件的重大进展
电力电子学（PowerElectronics）的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（HighPowerElectronics）的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。
近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（FACTS）、定质电力技术（CustomPower）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为电力研究前沿。
2.2灵活交流输电技术(FACTS)
灵活交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。
燃料电池技术论文篇7
“电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证相同的能源服务水平的前提下,使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前景进行简单评述。
1.分布式电源
当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC)、微型燃气轮机（Microtur_bines）和各种工程用的燃料电池（FuelCell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。
1.1微型燃气轮机
微型燃气轮机（MicroTurbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96000r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。
1.2燃料电池
燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。
1.2.1燃料电池的工作原理
燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。
通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（PAFC）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11MW的设备及便携式250kW等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600～700℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（SOFC）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。
1.2.2性能和特点
燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统。
目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。
1.2.3技术关键和研究课题
燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（MCFC）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池（SOFC）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入Y2O3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.03～0.05mm。比较先进的已达到0.01mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700℃以下，SOFC的造价就可以大幅度降低。
2.大功率电力电子技术的应用硅片引起的“第二次革命
2.1大功率电力电子器件的重大进展
电力电子学（PowerElectronics）的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（HighPowerElectronics）的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。
近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（FACTS）、定质电力技术（CustomPower）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为电力研究前沿。
2.2灵活交流输电技术(FACTS)
灵活交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。超级秘书网
燃料电池技术论文篇8
前苏联著名发明家G.S. Altshuller（G.S.阿奇舒勒）及其同事提出了TRIZ理论，其目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则。其中包含很多适用于技术创新的工具和方法，如：矛盾解决原理、物质场分析等。产品技术成熟度预测是TRIZ理论的一项重要研究内容。科研工作者和生产者可以通过对产品技术成熟度的预测，了解产品技术的进化过程，为进一步的科研、生产策略和计划制定提供参考，对技术发展具有重要意义。
本文采用的产品技术成熟度预测方法有以下两种：
（1）应用Altshuller专利考察模式进行产品技术成熟度预测：通过对大量专利的分析，Altshuller将专利分为五个等级，并发现了专利等级、专利数量和获利能力随技术系统生命周期的变化规律，这些规律和S曲线（产品进化过程曲线）一起被后来的技术预测专家用来进行产品技术成熟度预测。
（2）应用Darrell Mann专利考察模式进行产品技术成熟度预测：受Altshullar专利考察模式的启发，Darrell Mann根据专利的基本功能，重点考察了两类特殊的专利：降低成本的专利和弥补缺陷的专利，得出了这两类专利的数量随技术系统生命周期的变化规律。据此进行产品技术成熟度预测，能够较快确定技术是否已经过了成熟期。
2、微生物燃料电池
微生物燃料电池（MFC）是利用电化学技术将微生物代谢能转化为电能的一种装置，其基本原理是作为燃料的有机物在厌氧阳极室中被产电微生物氧化，产生电子与质子，其中电子被微生物捕获并传递给电池阳极，通过外电路到达阴极，形成回路产生电流。而质子通过隔膜到达阴极，与氧气及电子反应生成水。微生物燃料电池具有无污染、适用范围广泛等优点，目前已经成为治理污染、开发新能源方面的研究新热点。
目前针对MFC专利领域的研究主要为专利趋势分析、分类号研究及检索和专利申请状况分析，但是针对MFC产品技术成熟度预测的研究未见报道。
二、样本构成
1、检索数据库
使用的检索系统为CNABS。
2、检索关键词及主要分类号
关键词：微生物、燃料电池、MFC
主要分类号：分类号： C02F、H01M
3、检索结果
检索截止日为2012年11月30日，经过去除噪音及去除同样的发明创造后，共获取2000-2011年相关专利申请182篇，作为主要统计分析样本；2000年之前未见相关专利申请；2012年专利申请公开不完全，仅作为背景分析，不纳入统计分析样本。
三、微生物燃料电池专利的分级和分类
专利分级使用Altshuller发明的专利五级分级标准，通过全面阅读分析专利信息（权利要求书、说明书及附图、摘要）、确立标志性专利、纵向比较等步骤而得出具体的分级；专利分类中关注Darrell Mann的专利考察模式中重点考察的两类特殊的专利：降低成本的专利和弥补缺陷的专利，确定每份专利或申请所属于的类别，最后统计数量，拟合曲线，与分级过程可同步进行。
1、专利信息分析与整理
在对微生物燃料电池进行分级和分类前，首先通过对专业背景资料和专利信息的阅读，对微生物燃料电池技术的发展有全面的了解，主要分析专利申请所要解决的技术问题，以及解决该问题所采取的技术手段。通过阅读分析，可以主观的了解技术的继承与发展脉络，为分级作准备。
在专利技术发展中，微生物燃料电池的技术改进主要为系统构型的改变、电极材料的改进、交换膜材料的变化及微生物的选用等。
微生物燃料电池在结构上可以分为单室MFC和双室MFC两种。典型的双室MFC由阳极室、质子交换膜和阴极室组成。单室MFC省去阴极室直接把质子膜固定在阴极上，阴极室暴露在空气中，空气中的氧气直接传递给阴极。二者各具有优缺点，在专利发展中发明人对MFC构型进行不断的调整，以克服在先技术的缺陷。例如申请号为20051001185.5（一种以有机废水为燃料的单池式微生物电池）的专利为首个单池式微生物燃料电池；申请号为20051008661.8（生物反应器——直接微生物燃料电池及其用途）的专利申请为双室结构的变形，即主要由筒状的阳极室、阴极室及将两室中间隔开的质子交换膜构成；申请号20071014496.5（一种管式升流式空气阴极微生物燃料电池）的专利，具备了微生物燃料电池构型的优点，并结合了上升流活性碳阳极和无膜空气阴极于一体的，可以使两电极间距离尽可能最小。
从MFC产电机理来看，阳极作为产电微生物附着的载体，不仅影响产电微生物的附着量，同时还影响电子从微生物向阳极的传递，因此早期很多研究都集中在阳极材料的选择和修饰上。阴极作为电子受体，主要是氧化态的物质，近年在专利申请中也较为常见。例如申请号为20071019540.5的专利提供了一种铁离子循环电极及其制备方法；申请号为20071019656.9的专利提供了一种含锰离子的微生物燃料电池阳极的制备方法；申请号为20091004092.0的专利公开了一种用于微生物燃料电池的布阴极组件及其制备方法，该布阴极组件包括防水透气层、布基材料层和导电催化层或者包括防水透气布和导电催化层；申请号为20101001927.1的专利中使用碳化镍钼作为微生物燃料电池阳极；申请号为20101022015.2（一种微型微生物燃料电池）的专利申请中的阳极为金丝微电极阵列，空气阴极为膜电极：质子交换膜、催化剂层和气体扩散层。
膜材料在MFC中的应用主要为分离两极室中的电解液，同时使阳极室中的质子通过，其中质子交换膜被广泛使用。但出于成本的考虑，去膜和采用其他膜对质子交换膜进行取代成为专利申请的一个发展趋势，例如：申请号为20051011421.3（燃料电池用菌紫质质子交换膜的制备方法）的专利采用微生物作为燃料电池中质子交换膜，对环境不造成污染有效地降低了质子交换膜的生产成本；申请号为20081002795.3（一种微生物燃料电池及应用）的专利采用的膜材料为离子交换膜，具有与传统使用质子交换膜MFC相当甚至略高的输出功率与产电性能，能很好的替代传统使用质子交换膜MFC，并可降低微生物燃料电池成本。
微生物的选择影响着代谢通路，从而影响对有机质的去除和/或能量输出功率。在微生物的选用上，根据不同的发明目的有产气肠杆菌（申请号为20081002922.2）、海洋酵母（20091009798.8）、希瓦氏菌（申请号为20091014094.3和20091030567.7）、弗氏柠檬酸杆菌（20091019363.9）、蜡样芽孢杆菌（20111034751.2）等等。
此外，在应用的领域上，除了传统的用于发电和废水处理的微生物燃料电池之外，该技术扩展到其它的广大领域中，例如：申请号为20061003825.2（一种生态厕所）的专利申请利用微生物燃料电池理论，设计了粪便-微生物-质子膜-电极构成的“粪便电池”；申请号为20091009346.8的专利申请公开了一种面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池系统，该系统设置在人体的横结肠中，利用肠道微生物和内容物产电，可为植入式医疗设备提供能源；申请号为20101014660.4（微生物燃料电池及安有该电池的发电装置）的专利申请公开了一种安有微生物燃料电池的发电装置在稻田进行微生物发电中的应用；申请号为20111008632.6的专利申请中的微生物燃料电池能降解挥发性有机物，在处理挥发性有机废气的同时实现电能的回收。
2、分级
Altshuller的专利五级分级标准，具体如表1所示：
经过对专利信息的阅读分析后，确立了标志性专利：申请号为00810805（一种用于废水处理的使用废水和活性污泥的生物燃料电池）的专利为首个进入中国的微生物燃料电池申请，至少用到微生物、电池、废水处理三个领域的知识，采用交叉学科解决了产电的同时能够进行污水处理的的技术问题，创造了一种新的系统（仅在专利领域考虑）。作为首个标志性的专利，在专利等级分析时，定级较高，为4级；申请号为20051001185.5（一种以有机废水为燃料的单池式微生物电池）的专利为首个单池式微生物燃料电池，无须外加动力来提高阴极表面的氧气含量，无须投加电子转移介体，并且阳极池无需氮气吹脱就能较好地维持厌氧状态，使系统发生了质变，经过综合考虑，在专利等级分析时，定为3级。
对于其余的专利或申请进行分级，也要经过纵向比较，分析其所要解决的技术问题及采用的技术手段，根据分类标准来定级，例如：申请号为20061014499.1（可堆叠式单室微生物燃料电池）的专利公开了一种可堆叠式单室微生物燃料电池，这种构型虽然是首次出现，但是为通过数量的叠加来提高产电能力，量的变化更为明显，在Altshuller的专利考察模式中通常将这类专利定为一级。当然，如果专利中出现其他的技术特征，协同使得该专利较之前的专利申请有质的改变，分级可以再考虑；申请号为20091004203.8（一种微生物燃料电池及其制备方法和应用）的专利将微生物燃料电池及电芬顿有效的结合起来，使系统发生了质的变化，用到了全行业的知识，因此定位2级；申请号为20091007803.6（一种用于同步产电脱盐的污水处理工艺及装置）的专利利用微生物燃料电池的内电流在处理污水、产电的同时脱盐。使系统发生了质的变化，用到了全行业的知识，因此定位2级；申请号为20101022182.0（一种植物——土壤微生物燃料电池系统）的专利申请中，使阳极电极置于植物根部周围的土壤内，阴极电极置于土壤表面。主要以植物光合作用生产并释放到根部的有机质为燃料，避免了产电微生物以污水中有机质为燃料时，有机质对产电微生物的抑制作用，从而导致产电效率低的问题。系统发生变化，用到了全行业的知识，定位2级。
经过对分析样本的全面阅读与分析后，最终将微生物燃料电池专利信息整理汇总如表2所示：
四、微生物燃料电池产品技术成熟度预测
1、Altshullar专利考察模式
根据表2内容，绘制专利数量统计曲线和专利等级统计曲线，并与标准曲线进行对比，如图1、图2所示。
统计曲线拐点位置与标准曲线对应的拐点位置如箭头所示。根据曲线拐点可以预测，微生物燃料电池产品技术目前已结束婴儿期，处于快速成长阶段。由专利数量统计曲线可知：技术系统较婴儿期阶段有较快的发展，研发数量稳步增长。而对于专利等级统计曲线的变化：当微生物燃料电池产品技术进入稳定的发展轨道，数量增长明显，某个特定技术空间内的专利密度增大，将会导致专利保护范围的缩小，且会出现大部分针对单一要素进行某一指标的提高的专利技术，从而拉低专利等级。
2、Darrell Mann专利考察模式
在进行专利数据整理时，发现2000-2011年间高校申请和科研院所申请量占总申请量的96%，从侧面说明微生物燃料电池产品技术还处于研发阶段，因为还没有大规模投入使用，反映在Darrell Mann专利考察模式中，以降低成本为目的的专利申请会小于弥补技术缺陷的专利申请。
Darrell Mann专利考察模式主要应用是快速判断技术是否进入成熟期。根据表2内容，绘制弥补技术缺陷专利数量统计曲线和降低成本专利数量统计曲线，并与标准曲线进行对比，如图4、图5所示。
从图4（a）和图5（a）中可以看到在2009年到2010年间弥补技术缺陷专利数量和降低成本专利数量出现了明显下滑，结合图1（a）——专利数量统计曲线，可以看到其原因为2010年专利申请数量明显低于2009年。这种情况的出现有以下的可能：（1）对专利申请的国家和地区进行统计，发现2009年进入中国大陆的专利申请共7份，占2009年专利申请数量总数的17.9%，而2010年其他国家和地区进入中国大陆的专利申请数量为0，2011年同样为0，说明其他国家和地区出于技术发展或专利战略等原因，于2010年起逐渐放弃我国的专利市场，使专利申请数量受到影响，而这个原因很可能是由于遇到了产电能力难以大幅度提高的技术瓶颈以及生产成本的控制难以达到实现广泛应用的目的；（2）微生物燃料电池领域的研究主力为高校和科研院所，2009年有24所高校及科研院所提交了专利申请，2010年仅有19所，研究室的科研方向转向也部分影响了2010年的专利申请数量。
但是该曲线的下滑段并不影响曲线上升的总趋势判断，从图4和图5中可以看出，微生物燃料电池产品技术还未进入成熟期，结合对专利信息的理解和两种分类专利数量对比，应该还处于成长期当中。
五、结论
进入我国最早两份关于微生物燃料电池的申请（申请号：00809995、00810805）均由韩国科学技术研究院于2000年递交，之后才出现由我国高校兴起的微生物燃料电池专利申请，在经历模仿、吸收后、开始创新，因此微生物燃料电池产品技术经历的婴儿期比较短暂，进入成长期比较迅速。
燃料电池技术论文篇9
基于对微生物燃料电池多年的研究基础及对环境工程专业的认识，笔者总结了微生物燃料电池与以下课程的结合。
1.水质工程学教学
微生物燃料电池作为一种有应用前景的新技术，近年来得到广泛关注，也取得了进展。而微生物燃料电池可以作为案例，引入到水质工程学的教学中来。在讲授生物处理部分，可以引入微生物燃料电池这项新技术。首先需要向学生讲清楚微生物燃料处理废水的原理。在微生物燃料电池阳极室内，同时发生着厌氧生物处理、电化学氧化、生物氧化与生物混凝等多个过程，并逐一介绍此四个过程的原理特征。然后向学生介绍当前应用微生物燃料电池技术进行污染处理的研究状况。近年来，一系列富含生物可降解有机物的废水，在微生物燃料电池中逐渐被尝试用来产电，同时废水本身得到降解。在介绍完整体研究状况后，任课教师可以根据熟悉的特征废水，展开而深入地向学生展示。需要提及的是，氮污染控制是当下环境保护工作的重点，微生物燃料电池处理含氮废水是该技术在废水处理领域最重要的应用之一，也与中国地质大学（北京）以地下水污染防治为特色的环境工程教学特点密切相关。微生物燃料电池生物脱氮的研究最早开始于2004年，研究者发现当阴极电势控制在-500mV时，微生物能够直接以阴极作为电子供体将NO3-还原[7]，这对微生物燃料电池处理含氮废水的实际应用具有十分重要的意义。同时也需要向学生说明，当前受制于材料成本，微生物燃料电池处理废水还只停留在实验室研究，还未真正应用。这样既向学生传授了生物水处理的相关知识，又激发学生进行深入了解研究的动力，培养了学生善于思考与联想的能力。在讲授水处理系统部分时，在讲解完生活污水传统的处理工艺的基础上，可以针对当下相对难以处理的工业废水，介绍基于微生物燃料电池的新型处理工艺。如笔者所在的课题组尝试用UASB-MFC-BAF的组合工艺处理糖蜜酒精废水[8]，高效去除污染物的同时，并获得1410.2mW/m2的最大功率密度。其中，在UASB单元高效去除COD并进行硫酸盐还原，MFC单元氧化硫化物的同时产电，BAF单元去除色度并降解苯酚衍生物。与常规工艺的结合为MFC在污水处理方面的应用提供了新的思路，成为一种很有前途的处理方式。这除了向学生传递了水处理工艺的相关知识，也示范了工艺组合的特点与基本规律，培养了学生讲自己所学的水处理技术融会贯通，灵活运用的能力。
2.固体废物处理处置工程教学
堆肥处理是主要的资源化技术之一，在讲到堆肥部分时，可以介绍微生物燃料电池固体废物堆肥中的应用案例，即微生物燃料电池既可以处理废水，也可以处理固体废物，展示了该技术良好的发展前景。其在固体废物堆肥中，底物不需要频繁更换，而且有机质含量高，堆肥过程自身产热可提高温度，为堆肥过程中形成的高度复杂的微生物种群的富集和生长提供了更加稳定的外部环境，当前以厨余垃圾和园林肥料为原料的堆肥微生物燃料电池也已经有报道[9]。剩余污泥是城市污水处理厂运行中最为头疼的问题，在讲授城市污水处理厂剩余污泥处理处置部分时，可以着重介绍微生物燃料电池在剩余污泥资源化过程中的应用，微生物燃料电池可以将剩余污泥中的化学能转化为最清洁的电能，为污泥资源化提供了新的思路。具体包括直接利用剩余污泥与间接利用剩余污泥两方面，前者是直接以剩余污泥为燃料，在输出电能的同时，能达到良好的污泥减量效果；后者是分别以剩余污泥微波预处理上清液与剩余污泥发酵产生的挥发性脂肪酸作为燃料，可以有效地资源化利用剩余污泥，同时达到污泥减量的目的。将此类案例介绍给学生，既可以传授了固体废物资源化与处置的相关知识点，又可以激发学生的学习热情，提高教学质量，并且进一步培养了学生环境工程意识和环境工程研究的能力，进一步培养了学生分析和解决环境工程实际问题的能力。
3.环境学教学
环境学是环境类专业本科生的专业基础课程，旨在使学生正确理解和掌握与环境问题有关的基本概念、基本知识以及基本原理，以便为学习后续课程奠定必要的基础。而微生物燃料电池与其课程教学也有密切联系，可以成为增强教学效果的有力工具。污染物是环境工程的处理目标，而污染物指标是检验环境技术优劣的标准，在水体污染教学方面，五日生活需氧量（BOD5）的含义与测定是教学中的一项重要内容。常规BOD5测定主要采用呼吸法，该法测定较为复杂，而且耗时长，基于微生物燃料电池工作原理的BOD5传感器具有良好的应用前景，其电流或电压与污染物浓度呈现良好的线性关系，而且能够快速响应，并且测量范围较宽，结果具有良好的重复性，因此成为微生物燃料电池实际应用领域较为重要的直接应用方向。在利用微生物燃料电池类型的传感器测定BOD5时，以待测废水为阳极液，通过之前测定的电压与浓度对应关系，读取电压值，便可换算为BOD5的浓度。此测定方法发现电池转移电荷与BOD5之间呈明显的线性关系，相关系数达到0.99，标准偏差为3%~12%。而且微生物燃料电池类型的BOD5传感器响应快，恢复能力强，当污水浓度发生变化时，电流滞后1h即可达到稳定。而且微生物燃料电池型BOD5测定方法的另一突出优点是可连续运行，无需路外保养。通过介绍微生物燃料电池在测定BOD5中的应用，可以加深学生对BOD5的理解，传授了水体污染指标的概念，也培养了学生触类旁通、理论联系实际的能力。在环境学课程讲授中，会涉及全球的能源与环境问题，也会提到一些新型的清洁能源如氢能、核能等。此时可以介绍微生物燃料电池电助产氢的相关知识，这也是微生物燃料电池可能直接利用的主要形式。根据电化学理论，电解水的分解电压为1.6V，而在无氧气存在的条件下，在双室微生物燃料电池阴极施加一个远小于水的分解电压的小电压（一般小于0.8V），可以促进外电路转移至阴极的电子和阳极转移至阴极的质子结合而生成氢气，从而达到利用微生物燃料电池系统产生氢气的目的，该工艺产生的氢气纯度较高，并可以积累和储存以及运输，克服了以前微生物燃料电池输出功率低、无法直接应用的缺点，从而促进微生物燃料电池技术朝着实际应用又迈进了一步。这一方面可以吸引学生更深的了解微生物燃料电池技术，而且培养学生的研发兴趣与爱好，另一方面传授了氢能等清洁能源的相关知识，拓展了氢能的来源，启发了学生深入探究、勤于联想的能力，取得良好的教学效果。
课堂教学实践
燃料电池技术论文篇10
中图分类号：TU852文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2010) 14-0000-01
Power Electronics and New Energy Power Generation Technology
Yang Lin
(Institute of Electrical Engineering,Northwest University for Nationalities,Lanzhou730030,China)
Abstract:This paper discusses several new forms of energy generation and integrated power supply system transformation,control,intelligence management and safety issues,and hope in the future development of new energy power,we can overcome difficulties and achieve electronic power of new development.
Keywords:Power electronics;Energy management system;Power quality control
我们已进入21世纪，这是一个全新的时代，经济的高速发展给人们的生活带来了很多的便利，但随之而来的却是能源的耗竭，原本丰富的能源如今已变得匮乏，并危及到人们未来的生产生活。与此同时，毫无顾忌的能源利用还造成了大气的严重污染，从而又引发能源危及，这样的恶性循环会直接危及到人类的发展，甚至威胁人类的健康和繁衍。因此，开拓新能源，减少能量源浪费成为当今世界最为关注的话题。
一、新能源的发电方式
（一）太阳能发电
太阳能发电开始于上世纪50年代，当时，第一块实用的硅太阳电池研制成功，如今，太阳能发电技术已经经历了半个世纪的发展，其技术也在日益成熟。目前，占主流的太阳电池仍然是硅太阳电池，主要分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。典型的太阳能供电系统结构如图1所示，太阳电池阵列进行光电转换，把太阳能变为电能，再由功率变换器将太阳电池输入到直流电中，最后转换成用户所要使用的电源模式。根据用户的需求，功率变换器可以选择直流斩波器进行DC/DC变换，或采用逆变器进行DC/AC变换。而功率变换装置还应包括蓄电池系统，主要是为了平衡电流。如果太阳光充足，可以利用太阳能，并利用蓄电池充电；如果在夜晚或者阳光不充足时，就可以使用蓄电池供电。
（二）风力发电
如今，风力的主要运用方式就是风力发电，它的发展速度最快，也最受全世界关注。风力发电主要有3种运转方式：
1.独立运行方式，利用一台小型的风力发电机向需要的用户提供电能，它还可以通过蓄电池充电，预防无风时影响发电效果；
2.风力发电与其他发电方式相结合的联合供电方式，主要向交通不便或偏远山区供电，以及地广人稀的草原牧场提供电力；
3.并网型风力发电运行方式，将风力发电网安装在条件较好的地区，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这也是风力发电的主要发展方向。风力发电机组在不同风速的条件下运行，其发电机输出的电压的幅值和频率是变化的，所以，通常要配置电力电子功率变换器，通过这种装置控制电流，保证输出的电压是平衡稳定的。
（三）燃料电池发电系统
燃料电池（Fuel Cell）是将反应物如氢气等的化学能直接转化为电能的电化学装置。它通过燃料（通常是氢气）和氧气结合所发生的光电反应来发电。燃料电池发展了这么久，根据电介质的不同，主要分为5种燃料电池：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）；质子交换膜燃料电池（Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC）；磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）；熔盐燃料电池（Molten Car-bonate Fuel Cell，MCFC）；固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。
实际上，燃料电池也有其优点，例如：发电效率高：发热少；噪音低，污染小；功率密度高。目前，燃料电池发电主要集中在以下几个方面：燃料电池特性研究；燃料电池发电系统结构和高效功率变换的研究；能量管理技术；孤岛检测和保护技术，并网电流控制；并网运行与独立运行之间的无缝切换控制技术。
燃料电池所输出的电压会随着电压的变化，发生较大范围的变化。燃料电池的输出电压在负载发生突变时还要经过一段时间才能停止反应，对于质子交换模燃料电池响应延迟达2秒。因此，燃料电池一般与负荷动态的具体要求无法很好的匹配。
二、电力储能技术
可再生能源发电装置所产生的电能主要还存在无法预测的周期性变化，例如风能、光伏发电等，如果将其电能直接输入普通电网，将会对电流带来不良影响，而电力储备装置就可以平衡能源发电输入与电网之间的矛盾。电力储能技术有蓄水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电池储能等它们都各具特点，各有优势，但它们的正常运行主要是依靠电子电力技术。
蓄水储能与压缩空气储能主要是对电力高峰期进行调节，但是对地理条件的要求较高。电池储能的精密性高，需要在技术成熟的条件下进行，理论上可以用于电力调峰，单电池使用寿命有效，这成为蓄电技术的难点。飞轮储能的储能量有限，运行复杂，一般用于电能质量调节。
三、电能质量控制
（一）电源谐波检测和分析技术
谐波的测量和分析都是以思想谐波治理为前提条件的，精准的谐波测量和分析可以为谐波的治理提供准确的依据。自提出快速傅里叶变换算法（FFT）以来，基于傅里叶变换的谐波测量得到了普遍应用。然而基于傅里叶变换的谐波测量要求整周期同步采样，不然就会严重影响其效果。因此，怎样减少因同步偏差而引起的测量误差成为电子电力技术人员迫切要解决的难题。
（二）电能质量控制和管理
首先，电能质量的控制和管理主要包含功率因数校正和滤波器设计，由于传统的无源滤波器体积和重点都很大，还需要对不同的频率进行设计，而功率因数较技术正是提高功率因数和降低谐波污染的重要途径。如今，电能质量控制和管理的研究重点在与PFC控制技术上，比如：单开关、多开关以及软开关三相PFC电路的研制，软开关技术与PFC技术的融合已经成为未来的发展趋势，虽然目前的PFC产品受到功率的限制，但应用于分布式新能源发电系统却是重要机遇。
四、总结
综上所述，随着科技的发展，新能源的开拓和使用技术越来越成熟，但是，要真正做好新能源发电技术，还需要从解决先存的各种问题，因此，电子电力技术人员应在在电气、电子、控制和信息等工程技术领域加强合作研究，通过系统集成和技术融合，实现各种技术的突破，我相信，我们一定可以克服各种困难，迎来新能源造福人类的灿烂明天。
参考文献：
[1]Rechten H.可再生能源技术[A].中美清洁能源技术论坛论文集[C],2001
[2]汤天浩.新能源与变换:系统集成、技术融合及应用展望[J].电源技术学报,2004,2,1
[3]李俊峰,高虎,王仲颖.中国风电发展报告[M].北京:中国环境科学出版社,2008
燃料电池技术论文篇11
0.引言
时至今日，世界经济大体上仍然是化石燃料依赖型的，石油、煤和天然气占世界初级能源消费总量的85％左右，剩下的部分主要是水电和核电，真正的可再生清洁能源如风能、太阳能等所占比例不到3％。世界能源需求仍在以1.5％～2％的年率增长，而地质学家预测说，石油和天然气价格将大幅度上升，再也不会回落。
燃料电池的出现与发展，给便携式电子设备带来一场深刻的革命，并且还会波及到汽车业，住宅，以及社会各方面的集中供电系统。在21世纪中它将会把人类由集中供电带进一种分散供电的新时代。燃料电池供电，没有二氧化碳的排放，可减轻温室效应使全球气候变暖问题，它解决了火力发电使全球环境污染的问题，它是一个纯正的绿色清洁能源。
1.燃料电池的原理
1.1 燃料电池的组成和工作原理
燃料电池的基本组成：阳极、阴极、电解质和外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类。燃料电池是靠氢氧结合成水的反应来发电的，因而不会产生氮氧化物（NOX）和碳氢化合物（HC）等易对空气造成污染的物质。它由三部分组成：阴极、阳极和电解液。
燃料电池有着几个独特的性质：
（1）燃料电池在工作时必须有能量（燃料）输入，才能产出电能。
（2）燃料电池所能够产生的电能只和燃料的供应有关，只要供给燃料就可以产生电能，其放电是连续进行的。
（3）燃料电池本体的质量和体积并不大，但需要一套燃料储存装置或燃料转换装置和附属设备才能获得氢气，而这些燃料储存装置或燃料转换装置和附属设备的质量和体积远远超过燃料电池本身。
1.2 燃料电池中的催化作用
燃料电池中的电催化作用是用来加速燃料电池化学反应中电荷转移的一种作用，一般发生在电极与电解质的分界面上。 催化剂是一类可产生电催化作用的物质。电催化剂可以分别用于催化阳极和阴极反应。这种分离的催化特征，使得人们可以更好地优选不同的催化剂。
评价催化剂的主要技术指标为稳定性、电催化活性、电导率和经济性。
2.燃料电池的特点
由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：
不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；不管装置规模大小均能保持高发电效率； 具有很强的过负载能力； 通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。
此外，燃料电池的能量转换效率高，不受卡诺效率限制；清洁、环保。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型设备、没有SOx、NOx气体和固体粉尘的排放；可靠性和操作性良好，噪声低；所用燃料广泛，占地面积小，建厂具有很大灵活性。
3.燃料电池的分类
燃料电池可依据其工作温度、所用燃料的种类和电解质类型进行分类。按照工作温度，燃料电池可分为高、中、低温型三类。按燃料来源，燃料电池可分为直接式燃料电池(如直接甲醇燃料电池)，间接式燃料电池(如甲醇通过重整器产生氢气，然后以氢气为燃料电池的燃料)和再生类型进行分类。依据电解质的不同，可将燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MC
FC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。
3.1直接甲醇燃料电池
直接甲醇燃料电池是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储。其电化学转化过程又可分为两种方式，一种是直接燃料电池，另一种是间接燃料电池。直接燃料电池主要是甲醇在阳极被电解为氢和二氧化碳，氢通过质子膜到阴极与氧气反应并同时产生电流。间接燃料电池是先将甲醇进行炼解或重整得到氢，然后再由氢和氧通过质子膜电解槽反应而获得供给汽车动力的电能。这种燃料电池以甲醇为能量来源，手机，笔记本电脑将不再用充电。
3.2固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效，环境友好的特点外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50%提高到70%以上； 它的燃料适用范围广，不仅能用H2，还可直接用CO、天然气（甲烷）、煤汽化气，碳氢化合物、NH3、H2S等作燃料。这类电池最适合于分散和集中发电。
3.3碱性燃料电池
再生氢氧燃料电池将水电解技术(电能+2H2O2H2+O2)与氢氧燃料电池技术(2H2+O2H2O+电能)相结合 ,氢氧燃料电池的燃料 H2、氧化剂O2可通过水电解过程得以“再生”, 起到蓄能作用。可以用作空间站电源。采用氢氧化钾溶液作为电解液。这种电解液效率很高（可达60-90％），但对影响纯度的杂质，如二氧化碳很敏感。因而运行中需采用纯态氢气和氧气。这一点限制了将其应用于宇宙飞行及国际工程等领域。
3.4质子交换膜燃料电池
燃料电池工程中心研究双效催化剂和双效氧电极的制备方法，研制薄层电极并制备膜电极三合一组件，降低电极铂担量。目前电极的铂担量已降至0.02mg/cm2。同时进行固体电解质的水电解技术开发，已掌握水电解用膜电极的制备技术。
3.5熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池（600～700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、无污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物燃料等）、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点，是下一世纪的绿色电站。
4.燃料电池的应用
燃料电池技术因具备低污染、高能源转换效率的特性，更能满足人类高效、环保的需求。它具有更高的能源密度。紧急备用发电机、住宅用热电共生系统、UPS、分布式发电系统、军事国防、太空与运输工具领域、机器人、笔记型计算机、PDA、手机等便携电子产品、便携电源、搬运工具、电动辅助/代步车等。采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。这种电解质具有高功率一重量比和低工作温度。是适用于固定和移动装置的理想材料。
质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质,无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上。
5.小结
高效、洁净的燃料电池必将在未来的高效、清洁发电技术中占有一席之地。但是，资金、技术、观念、基础设施上还有许多需要克服的困难。油价飙升、电价太贵，燃料电池成为未来家庭能源供应相对便宜的选择，也是目前最令人满意的解决方案。在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景。 [科]
【参考文献】
燃料电池技术论文篇12
尽管燃料电池对大多数DIYer和移动终端玩家还比较生疏，但事实上在10多年前，该技术就已经出现。但是初期的燃料电池体积庞大，一般是用于应急供电、汽车等大型设备，想整合到笔记本电脑、手机这种移动终端里似乎是天方夜谭。最早面向移动终端的燃料电池是2002年以色列特拉维夫大学开发的甲醇燃料电池，只要向这个电池加入10mL甲醇可以实现13.5小时的通话和642小时的待机——这已经差不多是智能手机待机王摩托罗拉RAXR MAXX的水平。当然，之所以该技术没有实现商业化生产，是因为电池体积和一些技术上的东西还没有很好地解决。不过，从刚刚结束不久的CES 2013上获得的消息是，类似的针对移动终端设备的燃料电池已经预计在今年上市了。
Lilliputian在CES上展示的Nectar移动电源就是这样一款产品。据介绍，这款产品重量只有200g，外形有点像打火机，使用丁烷作为燃料，可以为智能手机提供数周的电力。一次灌满燃料后（约150mL），可以为iPhone充电10次，峰值输出功率2.5W。它的售价约为300美元，但每次加注燃料需要10美元，作为应急电源相当不错。适应温度范围宽，可以长久存储，不像锂电池或蓄电池一样对温度敏感，且存在自放电现象。
另一代表产品则是日本知名半导体制造商罗姆展示的一系列基于固态氢燃料的燃料电池产品。该产品含外壳只有86mm×52mm×19mm大小，使用氢化钙固化片材燃料。燃料体积仅为38mm×38mm×2ram，与水可生成约4.5L氢气，能在2小时内充满一部配备5Wh电池（约合1350mAh）的智能手机。罗姆官方称该产品今年4月份就将正式上市，但具体售价和燃料加注费用不详。Lilliputian与罗姆的产品其实代表了移动终端用燃料电池的两种主要技术发展方向：加“油”发电与加水发电。围绕这两项技术，电池行业的许多大佬都进行过积极的尝试和改进。
燃料电池是什么？
我们先弄清楚什么是燃料电池。在说明其技术细节之前，先来回忆一下中学学过的电解水试验：在食盐水中插入两根电极，通入12v直流电。这时在连接电源正极的阳极位置会收集到氧气，在连接电源负极的阴极位置则可收集到氢气，食盐水是促成反应发生的电解质——人人都能重复这个实验。如果将这个试验反过来，即在食盐水环境中，阴极通入氧气、阳极通入氢气，在阴阳两极接入负载和电流表会出现什么情况呢？电路中真的会有电流产生！这就是燃料电池的原理，没有火焰的燃烧，但执行的是“燃烧”过程，化学能转化为了电能。
实际上，燃料电池相比刚刚所说的理论要复杂得多，而学科上对燃料电池的分类也更为复杂，有碱性燃料电池（AFC）、磷酸盐燃料电池（PAFC）、熔融磷酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和聚合物电解质燃料电池（PEMFC）。由于前四类燃料电池工作温度相对较高，移动终端燃料电池大多属于PEMFC类别，但Lilliputian推出的Nectar则属于SOFC。
在电池内部，无论加注什么“燃料”，都要转化为氢气与氧气参与反应（甲醇燃料可直接与氧气反应），如果用化学反应来表示，可以写成：
2H2-4e4H+
O2+4e2O2-
燃料电池的核心技术为电极与电解质，对电极的要求是表面积尽量大，更有利于将氢气（甲醇）与氧气催化为离子态的催化剂；而电解质则要求拥有更好的导电性，以促成反应不断进行，同时还能对生成的离子具备隔离能力，让离子在电极处捕获需要的电子，而不是电解质内部捕获，提升发电效率。
“烧水”还是“烧油”？
从用户燃料加注层面来看，燃料电池还分为“加水（H2O）”与“加油（其它化学燃料）”两种。“烧水”还是“烧油”虽然在内部机理上并没有显著差别，但在实现难度和电池性能上却有明显差别。这也是长久以来，加油的燃料电池比加氢的燃料电池研究更多、报道更广的原因。
加油燃料电池
加油的燃料电池主要“油料”为甲醇，甲醇可如同氢气一样直接在电解质中与氧气反应，东芝、三星、索尼等都有开发类似的产品。东芝曾在2009年推出了一款名为Dynario的直接甲醇燃料电池，限量3000个。使用甲醇瓶往Dvnario注入甲醇后，Dynario即刻开始生成电能并可通过USB线传入手机或数码播放器等移动终端。整个产品体积为150mm×74.5mm×21mm，重280g，燃料舱容量14mL，注满可在20秒内生成足够2部手机的电量。为便于向其他终端提供持续电力，Dynario还内置有可充电锂电池，可存储燃料电池产生的电量。不过售价也不菲，当初约合人民币2225元，补给甲醇瓶一组5个，售价也达到235元。索尼在2008年小型燃料电池展上也展示过类似的系统，且体积更小，长宽仅约为50mm×30mm，最大功率可达3W，不过这之后并没有看到产品。基于甲醇的燃料电池虽然研究最多，但限于其能量转换效率低、成本高，市场表现似乎并不出色。
前文提到的Lilliputian的Nectar采用了看似更难实现的丁烷燃料，不过它们没有使用常规的低温聚合物电解质技术，而是采用TMEMS技术。在电池单元的核心技术方面采用名为“Generator Chip”的硅基MEMS芯片，实现了多个小型化的高温电池单元，形成一个微型固体氧化物燃料电池。每个圆筒型燃料盒的发电容量为55Wh，核心电池单元反应温度达到600℃以上，利用微型固体氧化物燃料电池的高能量转换效率，获得实用化的量产电池。目前，Nectar已从国际民间航空组织（ICAO）及美国运输部获得了许可，可以在飞机上使用。
加水燃料电池
相比加“油”燃料电池，加“水”燃料电池的难点是如何找到一种储存氢气的材料。外接压缩气体钢瓶或者采用吸氢材料是电动汽车等大功率应用中的常规思路，但面对移动终端应用时，直接使用氢气会造成要么体积庞大、要么实现复杂的难题。因此在便携燃料电池中，普遍采用加水通过化学反应产生氢气的做法，罗姆产品应用的正是这一方法。
罗姆与Aquafairy公司（总部位于日本京都）和京都大学利用独创技术，成功地将氢化钙固化为片材。体积不满3cm。的氢化钙片材（38mm×38mm×2mm）遇水可生成约4.5L的氢、5Wh的电力。氢化钙是一种灰白色结晶体，遇水可剧烈反应产生氢气和氢氧化钙。氢氧化钙是一种碱性物质，俗称熟石灰，在空气中可与二氧化碳反应生成白色的碳酸钙，对人体和环境均无害，也没有其他有害气体排放。由于燃料电池工作中生成物也是水，因此产品仅需要加入少量水引发反应即可。
罗姆公司已经用这种材料制成了可供iPhone和智能手机使用的移动电源，体积和重量均是有史以来最轻巧的，一次加水提供的电力大致相当于1350mAh的锂电池容量。利用这项储氢技术，罗姆还开发了面向地震等灾难环境下的备灾燃料电池。内置容量可高达400Wh，整体重量不到1kg，还有可提供200W输出的大功率家用产品，体重也只和一部iPad相当。罗姆正在与京都大学联合，研究对反应后的钙系废弃物的再生利用（利用激光工艺），以便在实用化中可提供廉价、高效的燃料。尽管技术参数上，加“水”的燃料电池结构更为简单，能量转换效率也更高。但从目前已经推出的产品看，只有加“油”的燃料电池更具实用性——可重复加注燃料，“加水”型燃料电池更多是一种一次性应急电源。
移动终端内置燃料电池可期
虽然燃料电池比传统锂电池更能提供稳定和持续的电力，且不用纠结于充电和电芯老化问题。但现实生活中，这种电池的应用还是基本以应急能源或者移动电源的形态出现，直接采用燃料电池的移动终端并不多见。东芝曾在MWC2008k展示过一部内置燃料电池的折叠手机，产品以KDDI W55T手机为原型，嵌入甲醇燃料电池。填充一次燃料，可获得两倍于内置锂电池的续航能力。但其体积较大，厚度达到17mm，填充完燃料后重量达到150g～16％，并且也没有很好解决燃料电池工作时的发热问题，从未正式上市过。
